Pokok Bahasan:
Bahan genetik
Sub Pokok Bahasan : 2.1. DNA, RNA dan kromosom 2.2. Struktur gen
2.1. DNA, RNA dan kromosom Sejarah: 1. 1869: DNA teridentifikasi sebagai benang halus pada darah putih yang diberi ethanol dingin 2. 1935: DNA murni berhasil diisolasi
3. 1941: diajukan hipotesis satu gensatu enzim 4. 1953: struktur molekul DNA terungkap
5. 1966: kode genetik dapat dipecahkan 6. 1969: pertama kali gen dapat diisolasi 7. 1980: teknik penggandaan DNA secara buatan dapat dilakukan dengan mesin PCR (Polymerase Chain Reaction) 8. 1984: Dikembangkan sistem sidik jari DNA (DNA finger printing)
Bahan Penyusun DNA: H2
OH HO
P
O
O
O
C5 4
H
3
OH phosphate
N
1 2
AGTC
H
H
base
deoxyribose nucleoside nucleotide
Bahan Penyusun DNA : DNA: Deoxyribo Nucleic Acid, merupakan bahan dasar genetik yang terbentuk dari tiga komponen yaitu: basa, gula dan phosphat
1. Basa, yang merupakan bahan dasar penyandi genetik. Terdiri dari empat jenis yaitu Adenine, Guanine, Thymine, dan Cytosine.
2. Gula, jenis gula yang merupakan penyusun DNA adalah gula dengan 5 C, dimana 4 C menyusun cincin dan C kelima menempel pada C no 4. Oleh karena C no 2 kehilangan O, maka gula tersebut dinamakan deoxyribose. Basa berikatan dengan deoxyribose pada C no 1. gabungan antara basa dengan deoxyribose disebut nucleosida.
3. Phosphat. Senyawa phospat berguna untuk mengikat guladengan-gula, dimana phospat tersebut berikatan dengan gula pada C no 5. Ikatan nucleosida dengan phospat disebut nucleotida
Struktur Kimia Basa Empat basa penyusun DNA berdasarkan struktur kimianya dapat dikategorikan menjadi 2 yaitu: 1. Kelompok pyrimidine 2. Kelompok purine
1. Kelompok Pyrimidine. Basa kelompok ini terbentuk dari satu cincin yang terdiri dari 4 C dan 2 N. Kedua basa itu adalah Thymine dan Cytosine
2. Kelompok Purine. Basa kelompok ini terbentuk dari dua cincin yang terdiri dari 5 C dan 4 N. Kedua basa itu adalah Adenine dan Guanine
Ikatan antar Basa. Dalam pembentukan DNA terdapat 2 utas yang saling berikatan, ikatan ini karena antar basa dapat dihubungkan oleh unsur hydrogen, sehingga ikatan antar basa disebut ikatan hydrogen.
Berdasarkan jumlah ikatan dibagi 2, yaitu: 1.Basa-basa berikatan dua, yaitu Thymine (T) dari Pyrimidine dengan Adenine (A) dari Purine 2.Basa-basa berikatan tiga, yaitu Cytosine (C) dari Pyrimidine dengan Guanine (G) dari Purine
Pola ikatan hydrogen seperti itu menyebabkan terjadi komplementasi, yaitu antara T-A dan C-G, yang penting bagi proses replikasi dan ekspresi gen.
Demikian juga jumlah basa Pyrimidine akan sama dengan basa Purine, tetapi jumlah basa berikatan 2 tidak selalu sama dengan jumlah basa berikatan 3.
Basa N
C
H
C
C
N
N
H
C
O C
C
C N
N
Hydrogen bond
ADENINE
N H
O H
C C
C O
CYTOSINE
C
N
H
Purine
C
H
N
N C
N
N H
C
H
C
N
H
THYMINE
H
C
N
O
Pyrimidine
H
H
CH3
C
C H
N H
N
N H
GUANINE
Penyusunan Basa : ikatan antar deoxyribose terjadi ketika senyawa Phospat pada C no 5 berikatan dengan C no 3 pada deoxyribose yang lain. Ikatan ini disebut ikatan phospho-diester, ikatan antar deoxyribose disebut juga tulang belakang (back bone) DNA
Oleh karena P pada C no 5 berikatan dengan P pada C no 3, maka pergerakan pembentukan utas akan berupa gerakan dari C no 5 ke C no 3, sehingga ujung awal utas DNA/RNA disebut ujung 5’, sedangkan ujung akhirnya disebut ujung 3’.
Pada DNA yang memiliki utas ganda arah pergerakan antar utas saling berlawanan, sehingga posisi basa tidak selalu tepat sejajar, hal ini mengakibatkan utas ganda DNA menjadi berpilin
Penyusunan Basa: H2
OH HO
P
AGTC
O
C5
O
3
H
P O
phospho diester bond
H
AGTC
O
C5
O
3
H
H
2
O O
N
1
4
H
T
T
A
G
C G
C
A
T
O
P O
AGTC
O
H2C 5
1
4
H
G A
H2
OH HO
H
2
OH
C
N
1
4
O
3’
5’
3
OH
2
H
N H
3’
5’CATGGA 3’GTACCT
3’ 5’
5’
Susunan basa pada DNA dapat divisualisasikan melalui mesin yang disebut DNA sequencer. Pada saat ini biasanya basa C disajikan dalam warna biru, basa G dalam warna hitam, basa T dalam warna merah dan basa A dalam warna hijau.
Visualisasi susunan basa dari mesin DNA sequencer
Susunan basa dari dari suatu fragment DNA hasil analisis mesin DNA sequencer
Perbedaan DNA dengan RNA DNA
Komponen
RNA
Gula
Gula pada DNA kehilangan unsur Oxygen pada C no 5, sehingga diberi nama deoxyribose
Gula pada RNA masih memiliki Oxygen pada C no 2, sehingga diberi nama Ribose
Basa
Basa Pyrimidine dengan dua ikatan Hydrogen, Thymine, memiliki CH3 pada salah satu C penyusun Cincin
Basa Thymine pada RNA tidak memiliki CH3 pada salah satu C penyusunnya, dan disebut Uracyl
Utas
Ganda
Tunggal
RNA:
DNA O
H3C5
1 3
H
2
OH
O
H3C5
4
Gula
RNA 4
H
H
1 3
OH
H
deoxyribose
Basa
H
OH H
C C
C
N
N C
H
ribose
CH3 H
2
O
H
H
H
C C
C
N
N C
O
O
Thymine
Uracil
Utas ganda
tunggal
O
H
Pengandaan DNA : Penggandaan DNA, dilakukan secara semi conservative, yaitu pada setiap fragment DNA yang baru terbentuk masih terdapat satu utas dari fragment yang sebelumnya. Proses ini dimungkinkan karena adanya sistem komplementasi antara basa T dengan A, dan basa C dengan G.
Replika
Tetua
Tetua
Langkah Penggandaan DNA : 1. Pemecahan (Cleavage) utas Ganda DNA pada suatu tempat (Cleavage Site) yang memisahkan 2 utas sehingga dapat dilakukan penggandaan DNA.
2. Penggandaan utas melalui proses komplementasi. Enzim DNA Polymerase melakukan pembentukan utas DNA baru sesuai dengan basa komplemennya.
3. Penutupan Nick. Oleh karena pemanjangan rantai DNA selalu mengikuti pola 5’-3’, maka pada utas yang arah 5’-3’ nya searah dengan arah cleavage, proses komplementasi terhenti menunggu cleavege cukup besar, sehingga menyebabkan ada gap antar rangkaian basa, gap ini disebut nick, yang harus ditutup agar fragment DNA baru sempurna.
Nick tidak terdapat pada utas dengan arah 5’-3’ nya berlawanan dengan arah cleavage, karena proses pemanjangan utas baru searah dengan arah cleavage.
Pengandaan DNA: replica
5’ 3’ 5’ 3’
3’ 5’
5’
3’
parent
parent
Kromosom DNA TANAMAN tersebar baik dalam inti sel, maupun dalam sitoplasma. DNA inti sel tersusun dalam kromosom, DNA sitoplasma terdapat dalam plastid, mitochondria, yang jumlahnya lebih dari 1, sel tanaman terdapat tiga genom, yaitu genom inti, genom mitochondria dan genom plastid.
plastid mitokondria
inti
Pembentukan kromosom Dari utas ganda DNA yang memiliki ketebalan 2 nm, mengalami beberapa proses sebelum membentuk kromosom dengan ketebalan 700 nm, yaitu: 1. Utas ganda DNA mengikat histone, sehingga mencapai ketebalan 11 nm. 2. DNA yang sudah mengikat histone bergabung hingga dua lapis, sehingga mencapai ketebalan 30 nm.
3. Gabungan diatas memendek membentuk pola gelombang dengan lebar antara puncak dan lembah gelombang sebesar 300 nm.
4. Pola gelombang tersebut membentuk pola memilin dengan ketebalan 700 nm. Pola pilinan tersebut akhirnya yang nampak sebagai massa kromosom.
2 nm
11 nm
30 nm
300 nm
700 nm
Struktur kromosom : telomere
heterochromatin centromere euchromatin
Telomere: Ujung kromosom yang terdiri dari sekuens DNA yang dibutuhkan untuk stabilitas ujung kromosom. heterochromatin
centromere
Centromere: euchromatin Bagian kromosom yang berasosiasi dengan benang gelendong, ketika pembelahan mitosis ataupun meiosis.
telomere
Heterochromatin: Bagian kromosom yang cenderung padat pilinannya, jelas tampak pada interfase, umumnya berada disekitar centromere and telomere telomere heterochromatin
centromere Euchromatin: Merupakan bagian kromosom yang memiliki kepadatan normal euchromatin dan mengalami siklus kondensasi, cenderung kurang memilin pada interfase. Gen-gen aktif umumnya berada pada bagian ini.
Ukuran Genom Beberapa Tanaman Penting Nama Ilmiah Allium cepa Arabidopsis thaliana Avena sativa Beta vulgaris ssp esculenta Brassica napus Capsicum annuum Citrus sinensis Glycine max Gossypium hirsutum Hordeum vulgare Lactuca sativa Lycopersicon esculentum Malus x domestica Manihot esculenta Musa sp Nicotiana tabacum Oryza sativa Phaseolus vulgaris Saccharum sp. Sorghum bicolor Triticum aestivum Zea mays
Nama Umum Bawang merah Arabidopsis Oat Bit Gula Canola Cabe Jeruk Kedele Kapas Barley Lettuce Tomat Apple Singkong Pisang Tembakau Padi bean Tebu Sorghum Gandum Jagung
Genome Size (MegaBp) 1592 127 11315 758 1182 2702 382 1115 2246 4873 2639 953 769 760 873 4434 331 637 3000 760 15966 2504
2.2. Struktur Gen Gen: merupakan fragment DNA yang dapat ditranskripsikan menjadi RNA dan diterjemahkan menjadi protein, yang selanjutnya mampu mempengaruhi proses fisiologi tanaman maupun fenotifnya.
Pada dasarnya Gen tersusun oleh empat komponen : 1.Regulator
2.Promoter 3.Transcribed Region (Bagian yang ditranskripsikan) 4.Terminator
chromosome
part of chromosome
Poly A tailing site
Transcribed region
Start site regulator promoter TATA
Termination site EXON
UTR AUG
INTRON
EXON
AAUAA
ORF UTR UGA,UAA,UAG
Regulator Merupakan bagian dari gen yang berperan dalam pola aktivasi suatu gen, pada rangkaian fisiologis apa, pada kondisi apa, pada fase perkembangan apa, atau pada organ apa. Umumnya berada pada awal sebuah gen mendahului promotor
Regulator terdiri dari responsive element seperti :
1. HSE (Heat Shock-response Element) 2. GRE (Glucocorticoid Response Element) 3. SRE (Serum Response Element)
Promoter Merupakan bagian dari gen yang berperan dalam penentuan utas mana yang akan dikode untuk ditraskripsikan, dan kapan titik awal transkripsi akan dilakukan.
Letak promotor berada sebelum titik awal transkripsi, sehingga jarak dari titik inisiasi dinotasikan dengan tanda -, atau disebut arah downstream. Promotor yang paling umum terdapat dalam gen tanaman adalah TATA box.
a Promoter
b
+1
c
Upstream Downstream
Coding Strand Template Strand Terminator
d
Jenis-jenis promotor : 1. 2. 3. 4. 5. 6.
TATA box (TATAAA, 10 bp) CAAT box (GGCCAATCT, 22 bp) GC box ( GGGCGG, 20bp) Octamer (ATTTGCAT, 20 bp) kB (GGGACTTTCC, 10 bp) ATF (GTGACGT, 20 bp).
Transcribed Region Merupakan bagian dari gen yang akan ditranskripsikan menjadi RNA. Bagian ini dimulai dari titik awal transkripsi (start site) hingga titik akhir transkripsi (termination site). Dalam bagian ini terdapat bagian yang akan dibawa keluar dari inti sel yang disebut ekson, dan bagian yang akan tetap ditinggalkan di dalam inti sel, yang disebut intron.
Pada bagian exon mRNA, terdapat bagian yang akan diterjemahkan menjadi rantai asam amino (Open Reading Frame/ORF) dan bagian yang tidak diterjemahkan (Un-translated Region/UTR)
Terminator Merupakan bagian dari sekuens DNA dari suatu gen yang memberi tanda kepada enzym penyusun RNA (RNA polymerase) untuk menghentikan proses pemanjangan rantai RNA.
